PARTIE CHIMIE : AIE J`AI UNE CRAMPE Lors du métabolisme

PARTIE CHIMIE : AIE J’AI UNE CRAMPE
BAC S 2004 Polynésie
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Lors du métabolisme basal de l’homme, l’énergie nécessaire provient de la transformation en milieu
oxygéné du glucose en dioxyde de carbone et eau. Le dioxyde de carbone est transporté par le sang
jusqu’aux poumons où il est alors éliminé par ventilation.
Lors d’un effort physique intense, les besoins énergétiques des muscles augmentent : le métabolisme
basal augmente ainsi que la ventilation.
Dans certains cas, lorsque la ventilation est insuffisante, l’énergie nécessaire au fonctionnement du
muscle devient insuffisante : la crampe apparaît. Il se forme, dans la cellule musculaire, de l’acide
lactique qui lorsqu’il passe dans le sang, provoque une diminution locale de son pH du fait de la création
en abondance de dioxyde de carbone dissous dans le sang Cette diminution du pH sanguin déclenche des
ordres hypothalamiques qui vont amplifier la ventilation.
Le but de cet exercice est d’expliquer, de façon très simplifiée, les processus mis en jeu lors de
l’apparition d’une crampe.
1 - pH du sang et maintien de sa valeur :
Le sang est constitué d’un liquide plasmatique (contenant entre autres les globules et les plaquettes), qui
peut être assimilé à une solution aqueuse ionique dont le pH (d’une valeur voisine de 7,4) est quasiment
constant et ne peut subir que de très faibles fluctuations. Dans le cas contraire, de fortes fluctuations
nuiraient gravement à la santé.
Le maintien de la valeur du pH se fait par deux processus :
-
Le premier met en œuvre un ensemble d’espèces chimiques régulatrices dont notamment le
couple acide-base CO2 / HCO3- (couple dioxyde de carbone / ion hydrogénocarbonate) grâce à
l’équilibre :
CO2(aq) + H2O(l) = HCO3–(aq) + H3O+(aq) (réaction 1).
-
Le deuxième processus physico-chimique est la respiration.
A une température de 37°C on donne pH d’un sang artériel « normal » : 7,4
1. Donner l’expression de la constante d’acidité Ka associée au couple régulateur (réaction 1).
2. De la question précédente, en déduire que l’on peut écrire la relation :
[ HCO3 ]
KA

[CO 2 ]
[H 3O  ]
dans le sang artériel normal. Pour la suite de l’exercice on admettra cette relation juste.
3. Lors d’un effort physique, la concentration en dioxyde de carbone dissous dans le sang, au voisinage
[ HCO3 ]
du muscle, augmente. Comment varie le rapport
? Augmente-t-il ? ou diminue-t-il ? Justifier
[CO2 ]
votre réponse.
[ HCO3 ]
KA
4. Puisque

comment devrait varier la concentration [ H 3O  ] ? Augmente-t-elle ? ou

[CO 2 ]
[ H 3O ]
diminue-t-elle ?
5. En déduire alors que le pH du sang va diminuer. Justifier votre réponse.
Pour éviter cette variation du pH du sang, l’hémoglobine contenue dans ce dernier et la respiration
interviennent pour éliminer l’excès de dioxyde de carbone.
Le transport des gaz dissous dans le sang peut être modélisé par l’équilibre :
HbO2 + CO2 = HbCO2 + O2
Où Hb représente l’hémoglobine du sang.
(réaction 2)
6. Au voisinage du poumon la quantité de O2 dissous augmente ou diminue ?
7. Au voisinage du muscle la quantité de CO2 dissous augmente ou diminue ?
8. Expliquer comment la respiration permet de maintenir constante la valeur du pH sanguin.
2. L’acide lactique
L’acide lactique a pour formule CH3–CHOH–COOH. Sa base conjuguée est l’ion lactate
CH3–CHOH–COO–.
9. Donner la définition d’un acide selon Brönsted.
10. Ecrire l’équation de la réaction de l’acide lactique avec l’eau.
11. Le pKa de l’acide lactique vaut 3,9. Représentez sur un axe gradué en pH, le diagramme de
prédominance de l’acide lactique et de l’ion lactate.
12. Lors d’un effort le pH du sang chute à 6,9. En s’aidant du diagramme précédemment tracé, dire ce
qu’il advient de l’acide lactique dissout dans le sang. Reste-t-il sous forme d’acide lactique ou se
transforme-t-il en ion lactate ? Justifiez.
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1. K A =
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[ HCO3 ].[ H 3 O  ]
[CO 2 ]
2. On en déduit (par un simple produit en croix) tout simplement
[ HCO3 ]
KA

[CO 2 ]
[H 3O  ]
[ HCO3 ]
3. La concentration en dioxyde de carbone [CO2 ] apparaît au dénominateur du rapport
. Donc si
[CO 2 ]
[ HCO3 ]
[CO2 ] augmente, alors le rapport
diminue.
[CO 2 ]
4. Puisque
[ HCO3 ]
KA
[ HCO3 ]
KA

et
puisque
le
rapport
augmente alors le rapport
diminue

[CO 2 ]
[CO 2 ]
[ H 3O ]
[ H 3O  ]
aussi.
Pour que le rapport
KA
diminue, il faut alors que la concentration [ H 3O  ] augmente.
[ H 3O  ]
5. Si la concentration [ H 3O  ] augmente alors le sang devient de plus en plus acide, donc le pH du
sang va diminuer (car plus une solution est acide plus son pH tend vers 0).
6. Au voisinage du poumon, l’hémoglobine se charge de dioxygène.
7. Au voisinage du muscle, la quantité de CO2 dissous augmente.
8. Lors d'un effort l'hémoglobine réagit avec le dioxyde de carbone, il y a formation de HbCO2, ainsi elle
empêche une augmentation de [CO2] et empêche une baisse du pH.
La respiration, donc l'apport de O2, permet à l'hémoglobine de se "régénérer": elle libère du CO2 au
niveau des poumons et se recharge en O2. Ensuite HbO2 est acheminée par le flux de sang vers les
muscles, où il y a libération de O2 et capture de CO2.
2. L’acide lactique
L’acide lactique a pour formule CH3–CHOH–COOH. Sa base conjuguée est l’ion lactate
CH3–CHOH–COO–.
9. Un acide est une espèce chimique capable de céder un ou plusieurs protons H+.
10. CH3–CHOH–COOH + H2O = CH3–CHOH–COO– + H3O+.
L'acide lactique cède un proton à la molécule d'eau.
11.
pH = 6,9
pKA = 3,9
pH
Acide lactique domine
Ion lactate domine
12. A pH = 6,9 l’acide lactique dissout dans le sang se transforme en ion lactate, d’après le diagramme de
prédominance.